Занимательная ядерная физика

PDF

      ПРЕДИСЛОВИЕ К ТРЕТЬЕМУ ИЗДАНИЮ

      Первые издания книги были тепло встречены читателями и критикой и, несмотря на большие тиражи, быстро разошлись. Автор получил много писем от читателей. Книга отмечена дипломом на конкурсе общества «Знание» и переведена на несколько иностранных языков. Все это, конечно, очень приятно, но и ко многому обязывает.
      С момента выхода в свет второго издания прошло уже 13 лет, а после появления первого — 16. Естественно, что за это время в такой быстро развивающейся науке, как ядерная физика, появилось много нового. И что особенно важно, это новое коснулось самого фундамента ядерной физики: радикально изменились представления о сильном, электромагнитном и слабом взаимодействиях, открыто много новых элементарных частиц. В связи с этим задача переработки книги оказалась довольно трудной. В нее пришлось ввести новые, достаточно сложные для популярного изложения (и для восприятия) понятия. Тем не менее автор пошел на такую переработку, считая, что потенциальный читатель книги тоже обновился и стал значительно образованнее и любознательнее.
      Конкретно, в третье издание книги внесены следующие новые материалы, отражающие современные достижения ядерной физики и физики элементарных частиц: рассказано об открытии промежуточных и Z0-бозонов, тяжелого лептона, очарованных и прелестных частиц; описано явление д-катализа термоядерного синтеза; дано понятие о квантовой хромодинамике и единой теории электрослабых взаимодействий; рассказано об обнаружении цепной реакции деления в природе, об открытии двупротонной радиоактивности, о ряде открытий, сделанных на Серпуховском ускорителе и ускорителях Дубны, о проектах новых ускорителей и реакторов, о свойствах ультрахолодных нейтронов и др. Кроме того, практически все разделы книги были дополнены и частично переработаны применительно к современному состоянию ядерной физики и физики элементарных частиц.
      Пользуясь удобным случаем, автор благодарит всех читателей за внимание и надеется на новые отклики.
      Автор
     
     
      ИЗ ПРЕДИСЛОВИЙ К ПРЕДЫДУЩИМ ИЗДАНИЯМ
     
      Всякая развивающаяся наука нуждается в молодых энтузиастах, влюбленных в нее и готовых посвятить ей всю жизнь. Такие влюбленные в науку энтузиасты наверняка есть среди учащейся молодежи. Но наука — Особа весьма серьезная и требовательная. Ей одной влюбленности мало. Она хочет иметь среди своих поклонников только тех, кому может ответить взаимностью. А для этого поклонники должны обладать вполне определенным «джентльменским набором» достоинств.
      Спрашивается, как найти таких молодых людей среди миллионов школьников?
      Аналогичные трудности испытывает и другая сторона. Не секрет, что молодой человек, кончающий школу, плохо знает себя и свои возможности и зачастую не может решить, в какую из многих Прекрасных Дам он влюблен по-настоящему: в быстроразвивающуюся и многообещающую Биологию или в переживающую вторую молодость Физику? А может быть, в старую, как мир, но вечно прекрасную Математику или в обновленную Химию (рис. 1)?
      Одним из способов решения задачи о взаимном поиске предмета поклонения и поклонников являются книги, написанные представителями одной стороны в адрес другой. Такие книги, по мнению автора, должны быть научными по содержанию (т.е. освещающими современное состояние науки и проблемные вопросы), популярными по форме изложения (т.е. доступными для читателя со средним и даже неполным средним образованием) и занимательными по стилю (т.е. интересно рассказывающими не только о великих открытиях, но и о повседневных буднях науки).
      Всем этим условиям удовлетворяли книги, издававшиеся в нашей стране до войны под рубрикой «Занимательная наука». Люди старшего поколения знают, что эти книги действительно внесли очень серьезный вклад в дело вовлечения молодежи в науку. Конечно, не все школьники, прочитавшие «Занимательную физику» Я.И. Перельмана, стали физиками. Но, по-видимому, все физики в школьные годы читали его книги.
      В чем же секрет неувядающей популярности этих книг? Почему они выдержали столь серьезное испытание временем? По-видимому, потому, что Я.И. Перельман сумел увидеть сам и показать другим, сколь интересна именно повседневная физика, та физика, с которой читатель встречается на каждом шагу. Читатель книг Я.И. Перельмана воочию убеждается, что интересно не только делать великие открытия, которые являются уделом немногих избранных, но и просто работать в области физической науки, потому что сама эта работа есть непрерывная цепь маленьких открытий, доставляющих большую творческую радость. А работать читатели Я.И. Перельмана начинали сразу же, так сказать, не отходя от книги: выводили формулы, делали расчеты, решали задачи, ставили опыты. Так читатель узнавал себя, свои вкусы и свои возможности.
      В арсенале Я.И. Перельмана были разные способы заинтересовать читателя физикой. Среди них немаловажную роль играла занимательность изложения материала. Книги Я.И. Перельмана занимательны в самом хорошем смысле этого слова, т.е. не развлекательны, а именно занимательны (у нас почему-то часто путают смысл этих двух различных терминов). Занимательный характер изложения у Я.И. Перельмана — не самоцель, а только средство привлечь внимание читателя к интересному самому по себе предмету или явлению. Целью у него всегда было раскрытие физической сущности этого явления.
      Итак, глубокая физичность, вера в творческую активность читателя и занимательность — вот те «три кита», на которых столь долго держится популярность книг Я.И. Перельмана.
      К сожалению, традиция издания занимательных книг о науке, подобных книгам Я.И. Перельмана, была постепенно утрачена. Вероятно, это случилось потому, что писать такие книги очень трудно (гораздо труднее, чем любые другие по своей специальности) ; между тем агитация за написание этих книг у нас проводится слабо. И все-таки эту традицию надо возрождать, и сделать это должны работники науки (а не журналисты!). Только люди, которым в науке нравится все, которые знают подробности трудной черновой научной работы и находят в ней радость творчества, могут (если сумеют) рассказать об этом так, чтобы читатель сознательно (зная, на что он идет) захотел сделать эту науку своей специальностью.
      Перед вами книга, в которой предпринимается такая попытка. Книга посвящена одной из труднейших и интереснейших наук современности — ядерной физике (включая физику элементарных частиц).
      Как следует из предыдущего, автору хотелось написать свою книгу в духе «Занимательной физики» Я.И. Перельмана. Но сделать это оказалось очень не просто отчасти из-за специфики подобных книг вообще, отчасти из-за отсутствия у автора соответствующего опыта, отчасти из-за сложности предмета. Автор неоднократно бросал, а потом снова начинал (не с того места, на котором остановился) писать эту книгу*. Порядок написания отдельных глав и параграфов абсолютно не соответствует их расположению. Одни разделы написаны, что называется, с ходу, другие много раз переделывались. Отсюда некоторая неровность стиля и другие недостатки. Словом, книга получилась не совсем такой, как была задумана. Тем не менее автор надеется, что она найдет своих читателей. И если некоторые из них по-настоящему заинтересуются ядерной физикой, то цель, поставленная автором, будет достигнута.
      Несколько замечаний о содержании и характере книги.
      Выбранная занимательная форма рассказа неизбежно привела к тому, что книга оказалась собранием избранных вопросов из ядерной физики и физики элементарных частиц. Поэтому она ни в какой степени не может заменить любой самый элементарный учебник с присущим ему систематическим изложением материала, упоминанием имен ученых и ссылками на литературу. Эта книга не очень систематичная, в ней сравнительно мало имен, а ссылки на литературу носят эпизодический характер. Однако, по мнению автора, эти особенности книги не помешают читателю понять ее содержание. Поясним эту мысль аналогией.
      Есть разные способы изучения иностранного языка. Один опирается на систематическое изучение правил грамматики и перевода, постановку произношения, заучивание слов и т.п. Вероятно, таким способом в конце концов язык выучить можно. Но процедура эта длинная, трудная и неинтересная. Другой способ заключается в том, что человек просто попадает в среду, где все, кроме него, говорят только на иностранном языке. Человеку трудно, но интересно. И язык он выучивает быстрее, чем первым способом.
      Вот именно таким вторым способом автор и предлагает читателю познакомиться с ядерной физикой. Пусть лучше читателю будет трудно и не сразу все понятно, но зато интересно. Интересные трудности легче преодолевать. Тем более что для этого даже не придется выходить за рамки данной книги: если хорошенько поискать, то в ней можно найти ответы почти на все непонятные вопросы.
      Нынешних школьников трудно сравнить с прежними, если так можно выразиться, «довоенными». У нас, кроме книг Я.И. Перельмана, почти ничего больше не было. Теперь наиболее любознательные школьники знают физику в объеме трехтомного курса под редакцией академика Г.С. Ландсберга. Имеется много научно-популярных книг по теории относительности, ядерной физике, ядерной энергетике, физике элементарных частиц и др. Наши журналы и газеты печатают множество статей популяризаторов науки. Поэтому автор может рассчитывать на то, что читатель этой книги знает многое из того, о чем в ней не говорится. Это позволяет не тратить время и место на набившие оскомину «обязательные главы» современных научно-популярных книг, посвященные описанию исторического хода развития наших знаний об атоме, атомном ядре и элементарных частицах. Вместо них в книге дана относительно небольшая вводная глава, в которой без особых пояснений сформулировано состояние наших знаний на сегодняшний день.
      Эта глава представляет собой нечто вроде краткого конспекта по ядерной физике, по которому можно судить о месте того или иного конкретного явления в этой науке и о взаимосвязи различных явлений, а также найти те разделы книги, где о них рассказывается подробнее. Таким образом, при активном использовании первой главы книгу можно читать не подряд. Естественно, что из-за всех этих особенностей вводная глава написана более строгим языком, чем остальные.
      Объекты микромира отличаются очень малыми размерами и массой и, как правило, движутся со скоростями, близкими к скорости света. Как в том, так и в другом случае классическая механика Ньютона перестает давать правильные результаты. В связи с этим физики, изучающие микромир, используют для интерпретации своих результатов квантовую механику и теорию относительности. Без понимания основных положений этих наук нельзя обойтись и при популярном изложении ядерной физики. Поэтому гл. 2 и 3 книги посвящены именно этим вопросам. Однако они, в отличие от других научно-популярных книг, приближены к задачам ядерной физики.
      Фундаментальнейшими вопросами ядерной физики и физики элементарных частиц являются вопросы о природе и характере взаимодействий, в которых участвуют микрочастицы, о законах сохранения и их роли в разных взаимодействиях. Им, а также вопросам классификации элементарных частиц посвящена гл. 4.
      Последующие главы посвящены собственно ядерной физике: ее достижениям и применениям, взаимосвязи с другими науками и нерешенным проблемам*. Изложение рассмотренных здесь вопросов проведено в общем для книги занимательном стиле. Ряд «наиболее занимательных» вопросов (неожиданные применения, интересные проекты, удивительные точности, любопытные эффекты и остроумные решения) выделен в большую самостоятельную главу.
      В книге довольно много формул и расчетов (которые доступны старшекласснику). Автор пошел на это сознательно. Настоящий физик не должен бояться математики. Физика — наука количественная, и подменять ее словами нельзя. Кстати, современный молодой человек, интересующийся физикой, это хорошо понимает. Один наш крупный ученый и хороший популяризатор рассказал как-то автору о своей встрече со школьниками — читателями его научно-популярной книги: школьники упрекали ученого за то, что в его книге слишком мало формул!
      В заключение несколько советов читателям.
      Из педагогических соображений автор старался строить изложение так, чтобы первое знакомство с новым вопросом происходило без особых подробностей. Сначала надо увидеть лес, а уже потом деревья. Представление о «лесе» в целом дает вводная глава, к которой мы рекомендуем периодически возвращаться, чтобы «не потерять за деревьями леса».
      *Рассказывая о разнообразных применениях ядерной физики и о ее взаимосвязи с другими науками, автор зачастую был вынужден довольно далеко отходить от своей узкой специальности и выступать в качестве дилетанта. Поэтому он заранее приносит свои извинения специалистам (медикам, химикам, археологам и др.), в руки которых может попасть эта книга, за упрощенное изложение соответствующего материала.
      Ядерная физика — наука сложная и трудная. Неискушенный читатель встречается здесь со множеством новых необычных явлений и понятий, к которым очень нелегко привыкнуть. Отчетливо представляя себе это и желая облегчить участь читателя, автор старался почаще разбавлять серьезный текст шуточными отступлениями, наглядными и забавными аналогиями, предполагаемыми случаями из жизни читателя и т.п. Все это, конечно, помогает восприятию материала, но при этом нельзя забывать, что аналогия в науке — вещь рискованная. Буквальное понимание ее часто приводит к вульгаризации. Поэтому, пользуясь аналогией, старайтесь понять, где она кончается, в чем она не проходит, и снова вернитесь к тому физическому явлению, для иллюстрации которого аналогия придумана.
      И, наконец, последний совет. В связи с занимательностью материала и облегченным способом его изложения книга может показаться простой. Не доверяйте этому ощущению и отнеситесь к ней достаточно серьезно. Чтобы от книги был толк, ее надо читать с карандашом и бумагой в руках и почаще размышлять над прочитанным.
      Во второе издание книги добавлен ряд новых разделов (вычитание релятивистских скоростей, разведка кладовых природы, поиски кварков в космическом излучении, поиски монополей в лунном веществе и на ускорителе в Серпухове, открытие антигелия). Одни разделы были существенно дополнены (закон сохранения энергии, ядерные стимуляторы сердца, гигантские ускорители) , в другие добавлены краткие сообщения о новых достижениях и проектах (геотермальная электростанция, воздушные и космические ядерные двигатели, ядерная «печка” Лунохода, новые изотопы курчатовия и поиски сверхтяжелых элементов, использование 252 Cf в медицинских целях и для отыскания полезных ископаемых), в третьих даны новые подробности о действующих установках и известных проектах (Серпуховский ускоритель, проект второго Панамского канала и др.). Кроме того, во второе издание внесено много мелких дополнений в соответствии с пожеланиями читателей.
      В заключение автор выражает искреннюю признательность проф. Л.В. Грошеву и чл.-кор. АН СССР И.И. Гуревичу за обсуждение рукописи книги, а также благодарит всех, кто своими советами помог ее написать.
      Автор
     
     
      Глава 1. (Вводная, она же завершающая)
      ЧТО ТАКОЕ ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
     
      Чем более вникают в деяния природы, тем видима наиболее становится простота законов, коим следует она в своих деяниях.
      А.Н. Радищев
     
      § 1. НАША ПРОГРАММА
      Обращение к читателю. — Этапы познания природы. — Четыре элемента древних греков. — Атомистическая теория. — Тысячи молекул из сотни атомов. — Три элементарных кирпичика. — Новые открытия. — Опять сотни. — А может быть, их все-таки не так уж много? — Программа этой книги.
     
      Начнем с того, что читать эту главу сейчас, в начале книги, совсем не обязательно. Это — самая неинтересная (точнее говоря, самая незанимательная) глава, потому что в ней довольно сухо рассказывается о ядерной физике как о науке. Вместе с тем изложенный здесь материал может оказаться полезным по ходу чтения остальных глав книги, так как он связывает их воедино. Может быть, самое разумное обращение с этой главой заключается в следующем: надо прочесть этот параграф, бегло просмотреть остальные и перейти к другим главам, а затем периодически возвращаться к вводной главе за разъяснениями и указаниями и, наконец, внимательно прочесть ее в заключение всей книги.
      Итак, что такое ядерная физика, как она возникла и чем занимается, каковы ее достижения и что она еще не решила, как она связана с другими науками и в чем ее значение?
      В процессе познания природы человек всегда стремился как-то классифицировать изучаемые вещества, выделять сходные по свойствам, разбивать на составные (элементарные) части.
      Самую первую (из числа известных нам) попытку упорядочить окружающий мир предприняли древнегреческие философы-материалисты, которые считали, что все вещества состоят из четырех вечно существующих элементов: земли, воды, воздуха и огня. Большое разнообразие веществ они объяснили разными комбинациями этих четырех элементов. Из единства строения всех веществ делали вывод о возможности их взаимных превращений. Некоторые последователи этого учения ввели представление об атомистической природе вещества.
      Эти взгляды, кажущиеся сейчас весьма наивными, просуществовали до XVII столетия и сыграли огромную роль. Они не только утверждали материальность мира, но и в какой-то мере заложили качественные основы современного учения о разных состояниях вещества и об его атомномолекулярной структуре.
      С тех пор прошло 2500 лет. За это время человек накопил много конкретных сведений об окружающих его веществах, изучил их свойства, научился превращать одни вещества в другие и даже получать новые вещества, не встречающиеся в природе. Естественно, что одновременно с углублением познания закономерностей природы совершенствовались и взгляды на структуру вещества.
      В XVII в. возродилась (на новом уровне знания) атомистическая теория, согласно которой каждое вещество состоит из мельчайших неделимых частиц — атомов материи. В конце XVIII в. ученые впервые узнали, что вода — сложное вещество, состоящее из двух простых веществ — кислорода и водорода. Соответственно понятие атомы материи было разбито на два: молекулы и атомы.
      Молекула является мельчайшей частицей сложного вещества. Каждое сложное вещество состоит из молекул одного типа. Сколько разных веществ, столько различных типов молекул.
      Атом — мельчайшая частица простого вещества — элемента. Элементов существенно меньше, чем веществ. В начале XIX в. их было известно 50, сейчас (вместе с созданными искусственно) — 107. Столько же имеется разных атомов*.
      *Строго говоря, разных атомов гораздо больше, так как почти все элементы имеют по нескольку изотопов. Однако изотопы были открыты уже после того, как атомы перестали считать элементарными частицами.
      И вот из сотни разных атомов как из элементарных кирпичиков можно построить многие, многие тысячи различных молекул.
      Таким образом, атомы приняли на себя функции четырех элементов древних греков. Углубление знаний о веществе привело к резкому возрастанию числа элементарных частиц.
      Когда были открыты атомы, им приписали свойство неделимости. И в течение целого столетия ученым казалось, что атомы действительно обладают этим свойством, так как во всех взаимодействиях между собой они вели себя как неделимые частицы. Однако в конце XIX — начале XX столетия неделимость атома была поставлена под сомнение. В то время были открыты катодное и рентгеновское излучения, радиоактивность. Все это указывало на сложный состав и общность структуры разных атомов.
      В 1911 г. было установлено, что любой атом состоит из ядра и окружающих его электронов. Этот год можно считать годом рождения ядерной физики, главной задачей которой является изучение атомного ядра.
      Первые сведения о структуре ядра были получены в 1919 г., когда в составе ядра открыли протоны. Вначале предполагали (ошибочно), что в составе ядра кроме протонов имеются еще и электроны. Ошибка была исправлена в 1932 г., когда в составе ядра открыли нейтроны. Теперь изучение любого вещества независимо от его состояния (твердого, жидкого, газообразного) и конкретного вида в конечном итоге сводится к изучению свойств и взаимодействия трех частиц: протонов, нейтронов и электронов. Любой атом состоит из этих частиц.
      Сравнительно недавно в связи с развитием работ по получению управляемой термоядерной реакции физики ввели на равных правах новое, четвертое состояние вещества — плазму. Плазма состоит не из атомов, а непосредственно из ядер (или ионов) и электронов, не связанных между собой. Наконец, физики и астрономы предполагают существование еще одного состояния вещества — чисто нейтронного. И в этих двух случаях все сводится к свойствам протонов, нейтронов и электронов.
      Открытие строения атома и атомного ядра — крупнейшее достижение ядерной физики. Подумайте только, все, что нас окружает, построено из элементарных частиц всего-навсего трех сортов! Каждая из них может участвовать не более чем в четырех видах взаимодействия: сильном (ядерном), электромагнитном, слабом и гравитационном, из которых одно — гравитационное — в микромире почти всегда можно не учитывать. Поэтому какое бы явление природы вы ни рассматривали (механическое, химическое, электрическое, магнитное, тепловое, ядерное), с какими бы состояниями вещества (твердое, жидкое, газообразное, плазма) вы ни имели дела, все в конечном итоге сводится к нескольким (одному — трем) взаимодействиям двух-трех сортов частиц, причем очень часто преобладают только одно взаимодействие и всего два сорта элементарных частиц. Например, все атомные явления, в сущности, сводятся к электромагнитному взаимодействию электронов с ядром, состоящим из протонов и нейтронов, а внутриядерные — к сильному и электромагнитному взаимодействию между протонами и нейтронами ядра и слабому взаимодействию между ядром и электронами.
      Таким образом, ядерная физика существенно упростила картину «устройства мира», и в течение некоторого времени казалось, что в физике царит полное благополучие. Однако это благополучие очень скоро нарушилось.
      Более глубокое изучение свойств атомных ядер, протонов, нейтронов и электронов привело к открытию позитрона, нейтрино, мюонов, ТГ-мезонов и других частиц. Число элементарных составных частей, из которых построен мир, опять начинает возрастать, и в настоящее время это число (с учетом многочисленных нестабильных частиц — резонансов) снова превосходит сотню (и даже не одну).
      Изучением свойств элементарных частиц занимается специальная наука — физика элементарных частиц, которая раньше была одним из небольших разделов ядерной физики. Сейчас это изучение продвинулось уже настолько далеко и глубоко, что вновь появилась надежда на сокращение числа первичных элементов, из которых построен мир, и не исключено, что этих элементов будет сравнительно немного (см. § 41).
      Вы видите, что для познания окружающего мира человеку пришлось пройти увлекательный, но мучительно длинный и трудный путь изучения вещества, начиная от самых сложных его форм и кончая элементарными частицами. Рассказывая об успехах ядерной физики и физики элементарных частиц, очень соблазнительно повторить этот путь на бумаге в том же хронологическом порядке (но, конечно, упрощенно и сокращенно). Обычно так и поступают.
      Однако мы с вами сделаем иначе: мы пройдем этот путь не в прямом, а в обратном направлении. Это даст нам возможность избежать длинных обходных путей и миновать многочисленные тупики заблуждений, которые часто встречались ученым при их движении по лабиринту науки.
      Конечно, при таком методе изложения материала появляются свои трудности, потому что по мере «упрощения» картины устройства мира существенно усложняется способ его описания. Так, для описания микромира недостаточно классической механики и классической физики, а необходимы релятивистская механика и квантовая физика. Но ведь рано или поздно о них все равно придется рассказывать, так что даже с учетом этих трудностей наш «обратный» путь выглядит более экономным, чем «прямой».
      Итак, воспользуемся всем тем, что «добыла» ядерная физика за время своего существования, включая самые последние годы, и постараемся рассказать об этом по возможности наиболее рациональным способом. Для этого рассмотрим сначала свойства известных элементарных частиц, характер их взаимодействия, законы, которым подчиняются эти взаимодействия, классификацию элементарных частиц.
      Зная свойства элементарных частиц, мы сумеем уже сравнительно просто построить из них более сложные объекты — атомные ядра и атомы — и понять их свойства, т.е. перейти от физики элементарных частиц к ядерной и (частично) атомной физике. В соответствующих параграфах будут рассмотрены свойства как стабильных, так и радиоактивных ядер, ядерные реакции, ядерная энергетика и другие вопросы, а также многочисленные применения ядерной физики в самых разнообразных областях.
      Наконец, комбинируя разные атомы, можно было бы построить все известное нам многообразие различных веществ. Однако эти вопросы выходят за рамки ядерной физики, поэтому мы, как правило, заниматься ими не будем (хотя отдельные свойства макросреды рассмотрим).
      Сформулированная программа будет осуществлена дважды: один раз очень кратко, почти конспективно (но зато последовательно и систематично) — в пределах гл. 1; второй раз более подробно и, как мы надеемся, более интересно — на протяжении всех остальных глав.
      А теперь напоминаем, что те из вас, кому последующие параграфы гл. 1 покажутся трудными и скучными, могут пролистать их и сразу перейти к гл. 2. Но не забывайте возвращаться к вводной главе, если при чтении книги вы встретите что-нибудь непонятное или потеряете общую ориентировку. Найти нужное место в гл. 1 можно по подзаголовкам ее параграфов.